[论文解读] Two-fluid simulations of waves in the solar chromosphere II. Propagation and damping of fast magneto-acoustic waves and shocks

B. Popescu Braileanu, V. S. Lukin+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2019

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 63被引用 8

一句话总结

本研究利用双流体磁流体动力学（MHD）模拟，研究了部分电离和离子-中性粒子解耦条件下，快速磁声波及激波在太阳色球层中的传播与阻尼。结果表明，由于碰撞尺度匹配和频率依赖效应，高色球层高度处的波解耦导致阻尼增强与摩擦加热，非线性波陡化形成激波，随后因碰撞阻尼而平滑为C型特征轮廓。

ABSTRACT

Waves and shocks traveling through the solar chromospheric plasma are influenced by its partial ionization and weak collisional coupling, and may become susceptible to multi-fluid effects, similar to interstellar shock waves. In this study, we consider fast magneto-acoustic shock wave formation and propagation in a stratified medium, that is permeated by a horizontal magnetic field, with properties similar to that of the solar chromosphere. The evolution of plasma and neutrals is modeled using a two-fluid code that evolves a set of coupled equations for two separate fluids. We observed that waves in neutrals and plasma, initially coupled at the upper photosphere, become uncoupled at higher heights in the chromosphere. This decoupling can be a consequence of either the characteristic spatial scale at the shock front, that becomes similar to the collisional scale, or the change in the relation between the wave frequency, ion cyclotron frequency, and the collisional frequency with height. The decoupling height is a sensitive function of the wave frequency, wave amplitude, and the magnetic field strength. We observed that decoupling causes damping of waves and an increase in the background temperature due to the frictional heating. The comparison between analytical and numerical results allows us to separate the role of the nonlinear effects from the linear ones on the decoupling and damping of waves.

研究动机与目标

• 理解部分电离和弱碰撞耦合如何影响太阳色球层中波的传播与阻尼。
• 研究在分层、磁化、部分电离等离子体中快速磁声激波的形成与演化。
• 确定等离子体与中性流体发生解耦的条件，及其对波能耗散的影响。
• 区分线性与非线性效应在波阻尼与激波特构中的作用。
• 将数值模拟结果与分层介质中波阻尼的解析WKB解进行比较。

提出的方法

• 使用求解电离等离子体与中性流体组分耦合方程的双流体代码进行数值模拟。
• 建立具有水平磁场和高度依赖电离度与碰撞频率的分层太阳色球模型。
• 将离子-中性粒子摩擦作为关键耗散机制，其中碰撞平均自由程随高度增加。
• 采用WKB近似解析估算线性波阻尼，并与非线性数值结果进行对比。
• 追踪波振幅演化、激波前缘形态及由摩擦加热引起的温度上升。
• 基于激波宽度与碰撞尺度的相对关系，分析从J型到C型激波特构的转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种高度发生快速磁声波中离子-中性粒子的解耦？其与波频率、振幅和磁场强度的关系如何？
• RQ2 非线性波陡化与碰撞阻尼如何影响激波前缘形态与能量耗散？
• RQ3 线性与非线性效应在部分电离色球层中波阻尼中的贡献程度如何？
• RQ4 重力分层如何影响波振幅与阻尼长度，特别是在强磁场条件下？
• RQ5 决定激波表现为C型或J型的物理条件是什么？其随高度如何演化？

主要发现

• 等离子体与中性流体的解耦发生在激波特构空间尺度与离子-中性粒子碰撞平均自由程相当的高度，而该平均自由程随高度增加。
• 解耦高度对波频率、振幅和磁场强度敏感，高频与强磁场可延迟解耦发生。
• 由于离子-中性粒子摩擦，波阻尼显著增强，导致背景温度明显升高。
• 非线性效应引起波前陡化与激波形成，激波宽度减小至与1.5 Mm高度处约2 km的碰撞平均自由程相当。
• 在上层色球层，即使激波宽度远大于平均自由程，碰撞阻尼仍使激波平滑为类似C型的轮廓。
• 数值模拟与解析WKB解在阻尼率上表现出良好一致性，验证了该模型在线性和非线性波态下的准确性。